KR20020077530A - 홀수기통의 ｖ형 내연기관 - Google Patents

홀수기통의 ｖ형 내연기관 Download PDF

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

(2n+1)(n은 자연수)개의 기통을 가지는 V형 내연기관은, 양 뱅크의 1쌍의 피스톤이 함께 연결된 n개의 공용 크랭크핀(KC) 및 1개의 나머지 피스톤만이 연결된 1개의 단독 크랭크핀을 가지는 크랭크축을 구비한다. 공용 크랭크핀(KC)은 동일 위상에 배치되고, 뱅크 각(θ) 는 다음 식을 만족시키도록 설정되고,
θ = COS-1(1/(2n))
단독 크랭크핀은, 나머지 피스톤이 크랭크축의 회전방향에서 진행측에 있는 뱅크에 속하는 경우는, 공용 크랭크핀(KC)으로부터 (180-θ)도의 각도를 가지고 크랭크축의 회전방향에서 지연측에 배치되고, 모든 기통에 있어서 피스톤 등의 왕복운동부분의 질량(M)은 동일하게 설정되고,
α: 공용 크랭크핀(KC)으로부터의 회전방향으로의 각도
M : 상기 각 왕복운동부분의 질량
r : 크랭크반경
ω : 크랭크축의 각속도
로 하면,
크랭크축에는, kMrω2의 크기로, (α+180)도 방향의 밸런스력이 발생하는 밸런스 웨이트(WB)가 설치된다.
이것에 의해서, 내연기관의 중량증가·대형화를 초해하는 일없이, 1차 관성력에 의한 1차 진동의 발생을 방지하는 홀수기통의 V형 내연기관이 제공된다.

Description

홀수기통의 Ｖ형 내연기관{ODD-CYLINDER V-TYPE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
종래, 왕복운동 내연기관의 피스톤 등의 왕복운동부분에 발생하는 관성력의 불균형에 의한 진동을 방지하기 위해서는, 밸런싱 축 등의 밸런싱 기구를 설치하는 것이 행해지고 있다. 밸런싱 축 등의 밸런싱 기구는, 체인이나 기어 등의 전동기구를 통하여 전달되는 크랭크축의 동력에 의해, 크랭크축과 동기하여 회전구동되도록 되어 있다. 그 중, 홀수기통의 V형 내연기관에 있어서의 밸런싱 기구로서는, 일본국 특공평 4-36252호 공보에 개시된 것이 알려져 있다. 이 공보에 개시된 V형 내연기관은, 차체 프레임 전방에 배치된 3개의 실린더와, 차체 프레임 후방에 배치된 2개의 실린더를 가지는 5기통 내연기관이고, 그 크랭크축의 2개의 크랭크핀에는, 각각, 전방 실린더의 커넥팅로드 및 후방 실린더의 커넥팅로드가 함께 접속되고, 크랭크축의 좌단(자동 이륜차가 탑재된 경우의 진행방향 좌측)에 있는 나머지 크랭크핀에는, 좌단에 위치하는 나머지 1개의 전방 실린더의 커넥팅로드가 접속된다. 그리고, 내연기관의 운전에 의해 발생하는 관성력의 불균형을 해소하기 위해서는, 좌단의 전방실린더의 커넥팅로드의 대단부에 밸런싱 기구가 설치된다. 이 밸런싱 기구는, 그 대단부의 회전을 따라서 진자운동을 하는 2개의 아암으로 이루어지고, 또 밸런싱 기구를 수용하는 수용부가 후방실린더의 좌방에 인접하여 설치된다.
그런데, 상기 종래기술에서는, 관성력의 불균형을 해소하기 위해서, 밸런싱 기구가 필요하게 되고, 게다가 그 밸런싱 기구를 수용하는 스페이스도 필요하게 되기 때문에, 내연기관의 중량이 증가함과 동시에 내연기관이 대형이 되는데다가, 부품수가 증가하는 것이고, 또한 미끄럼운동부가 증가하기 때문에 마찰손실이 증가하는 난점이 있었다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주목적은, 내연기관의 중량증가 및 대형화를 초래하는 일없이, 1차 관성력의 불균형에 기인하는 1차진동의 발생을 방지할 수 있는 홀수기통의 V형 내연기관을 제공하는 것에 있다.
또, 본 발명은, 게다가, 홀수기통 중 쌍이 되지 않는 1개의 기통에 끼워맞춤하는 피스톤을 이용하여 1차 진동의 발생을 방지함과 동시에, 기통마다, 크랭크축의 회전방향에서의 1차 관성력의 균등화를 도모하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 또한, 간단한 구조로 1차 관성력이 우력이 되어 발생하는 커플링진동을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 홀수기통의 V형 내연기관에 관한 것으로, 상세하게는, 피스톤 등의 왕복운동부분의 1차 관성력에 기인하여 발생하는 1차 진동을 방지하기 위한 구조에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 V형 내연기관이 탑재된 자동 2륜차의 주요부의 좌측면도이다.
도 2는, 도 1의 자동 2륜차의 주요부 평면도이다.
도 3은, 도 1의 개략 Ⅲ-Ⅲ선으로 재단했을 때의 전개도이다.
도 4는, 동일 크랭크핀에 연결되는 1쌍의 피스톤 등의 왕복운동부분에 생기는 1차 관성력을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 크랭크축의 회전방향에서 진행측의 뱅크에 있는 1개의 크랭크핀에 연결되는 피스톤 등의 왕복운동부분에 생기는 1차 관성력을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 내연기관 전체의 1차 관성력을 나타내는 설명도이다.
도 7은, 크랭크축의 회전방향에서 지연측의 뱅크에 있는 1개의 크랭크핀에 연결되는 피스톤 등의 왕복운동부분에 생기는 1차 관성력을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 도 1의 V형 내연기관의 밸런스 웨이트에 발생하는 밸런스력을 나타내는 설명도이다.
도 9는, 도 1의 V형 내연기관의 불평형 1차 관성력을 나타내는 설명도이다.
상기 주목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는, V자형을 이루는 2개의 뱅크를 형성하는 (2n+1)(여기서, n은 자연수)개의 기통과, 상기 각 기통의 실린더보어에 끼어맞춤하는 피스톤과, 이들의 피스톤에 각각 연결된 커넥팅로드와, 크랭크축을 구비하고, 상기 크랭크축은, 상기 2개의 뱅크에 각각 속하는 피스톤의 쌍의 각각에 연결된 커넥팅로드가 함께 연결된 n개의 공용 크랭크핀과, 1개의 나머지 피스톤에 연결된 커넥팅로드만이 연결된 1개의 단독 크랭크핀을 가지고 있는 홀수기통의 V형 내연기관에 있어서,
상기 n개의 공용 크랭크핀은, 동일위상에 배치되고,
상기 양 뱅크가 이루는 뱅크 각(θ)는 다음 식을 만족시키도록 설정되고,
θ = COS-1(1/(2n))
상기 단독 크랭크핀은, 상기 나머지 피스톤이 상기 크랭크축의 회전방향에서 진행측에 있는 상기 뱅크에 속하는 경우는, 상기 공용 크랭크핀으로부터(180-θ)도의 각도를 가지고 상기 회전방향에서 지연측에 배치되고, 상기 나머지 피스톤이 상기 회전방향에서 지연측에 있는 상기 뱅크에 속하는 경우는, 상기 공용 크랭크핀으로부터 (180-θ)도의 각도를 가지고 상기 회전방향에서 진행측에 배치되고,
상기 모든 기통에 있어서 상기 피스톤 등의 왕복운동부분의 질량은 동일하게설정되고,
α: 상기 공용 크랭크핀으로부터의 상기 회전방향으로의 각도
M : 상기 각 왕복운동부분의 질량
r : 크랭크반경
ω : 상기 크랭크축의 각속도
로 했을 때,
상기 크랭크축에는, kMrω2의 크기이고, 또한 (α+180)도 방향의 밸런스력이 발생하는 밸런스 웨이트수단이 설치되어 있다.
본 발명에 의하면, (n+1)개의 기통으로 형성되는 뱅크와 n개의 기통으로 형성되는 뱅크가 뱅크각(θ)을 이루는 홀수기통의 V형 내연기관에 있어서, 내연기관의 운전에 의해, (2n+1)개의 피스톤 등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력이, 크랭크축에 설치된 밸런스 웨이트수단에 발생하는 kMrω2의 크기이고, 또한 (α+180)도의 방향을 가지는 밸런스력에 의해 균형이 잡히기 때문에, 1차 관성력에 기인하는 1차 진동의 발생이 방지된다. 그 결과, 1차 진동이 크랭크축에 설치된 밸런스 웨이트 수단에 의해 방지되고, 그것에 의해, 종래기술과 같이 아암을 가지는 밸런싱 기구나, 전동기구나 밸런싱 축을 가지는 밸런싱 기구를 설치할 필요가 없고, 내연기관의 중량증가가 억제됨과 동시에, 내연기관이 소형화된다. 또, 부품점수가 삭감되므로 생산성이 향상하고, 또한 미끄럼운동부의 감소에 의해 마찰손실이 감소하여, 유효한 기관출력을 증대시킬 수가 있다.
본 발명에서는, 상기 밸런스 웨이트수단은, 복수개의 밸런스 웨이트로 이루어지고, 상기 밸런스 웨이트는, 상기 피스톤 등의 왕복운동부분마다 50%의 밸런스율이 되도록 설정되고, 또한 상기 크랭크축의 회전축선에 대해서 상기 각 크랭크핀의 180도 반대측에 설치되도록 할 수가 있다.
이와 같이 함으로써, 공용 크랭크핀에 연결된 모든 피스톤 등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력이, 단독 크랭크핀에 연결된 피스톤 등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력과 균형을 이룸으로써 1차 진동의 발생이 방지되고, 그것에 의해, 공용 크랭크핀에 연결되어 1쌍이 된 피스톤 등의 왕복운동부분이외의 나머지 피스톤 등의 왕복운동부분을 이용하여, 밸런스 웨이트의 설치가 용이한 형태로 1차 진동의 발생을 방지할 수 있다. 게다가, 밸런스 웨이트는, 피스톤 등의 왕복운동부분마다 50%의 밸런스율이 되도록 설정되기 때문에, 크랭크축의 회전방향에서의 1차 관성력이 균등화되므로, 크랭크축 및 크랭크축을 지지하는 축받이부의 설계가 용이해짐과 동시에, 강성을 높이기 위한 중량증가가 회피되어, 내연기관을 경량화할 수 있다.
본 발명에서는, 홀수기통의 V형 내연기관에 있어서, n은 짝수이고, 상기 밸런스 웨이트수단은 복수개의 밸런스 웨이트로 이루어지고, 상기 단독 크랭크핀은,상기 크랭크축에 그 회전축선방향에서의 중앙에 배치되고, 상기 나머지 피스톤이 끼워맞춤하는 실린더보어의 중심축선을 포함하고 또한 상기 회전축선에 직교하는 가상평면에 관하여, 상기 모든 피스톤 등의 왕복운동부분 및 상기 모든 밸런스 웨이트가 면대칭으로 배치되도록 구성할 수가 있다.
이와 같이 함으로써, 크랭크축에 발생하는 1차 관성력은 밸런스 웨이트에 발생하는 밸런스력과 균형을 이루는 데다가, 각 피스톤 등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력 및 밸런스 웨이트에 발생하는 밸런스력은 가상평면에 관하여 면대칭이 되기 때문에, 1차 관성력 및 밸런스력에 의해 우력이 형성되는 일이 없고, 단독 크랭크핀, 피스톤 등의 왕복운동부분 및 밸런스 웨이트의 면대칭인 배치라는 간단한 구조에 의해, 1차 관성력 및 밸런스력에 기인하는 커플링진동의 발생이 방지된다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명이 적용되는 V형 내연기관(E)은, 자동 2륜차(V)에 탑재되는 DOHC형으로 수냉식의 V형 5기통 4사이클 내연기관이다. 또한, 이 명세서에 있어서, 「전후좌우」는, 자동 2륜차(V)의 차체를 기준으로 했을 때의 「전후좌우」를 의미하는 것으로 한다. 내연기관(E)은, 실린더블록(1)을 가지고, 이 실린더블록(1)의 상부는, 전후방향으로 뱅크각(θ)의 V자형의 V뱅크를 형성하는 전뱅크(1a) 및 후뱅크(1b)를 형성하고, 하부가 상측 크랭크케이스(1c)를 형성하고 있다. 각 뱅크(1a,1b)에 있어서 실린더블록(1)의 상단면에는 전실린더헤드(2a)및 후실린더헤드(2b)가 결합되고, 실린더블록(1)의 하단면에는 하측 크랭크케이스(3)가 결합되고, 하측 크랭크케이스(3)의 하단면에는 오일팬(4)이 결합되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전륜(WF)을 지지하는 프론트 서스펜션을유지하는 헤드파이프(30)와 그 헤드파이프(30)에 전단이 접속되어 후방으로 경사하여 하방으로 연장되는 좌우 1쌍의 메인프레임(31,32) 등을 구비하는 차체 프레임이 설치되어 있다. 또, 내연기관(E)에는, 좌우방향을 지향하도록 가로로 배치가 되는 크랭크축(5)이 설치되어 있다. 크랭크축(5)은, 실린더블록(1)의 하단면과 하측 크랭크케이스(3)의 상단면의 맞춤면상에 그 회전축선(L)이 위치한 상태로, 실린더블록(1) 및 하측 크랭크케이스(3)에 회전이 자유롭게 지지된다. 크랭크축(5)은, 도 1에 있어서, 반시계방향으로 회전하기 때문에, 전뱅크(1a)는 후뱅크(1b)에 대해서 크랭크축(5)의 회전방향에서 진행측에 있다.
도 2에도 도시된 바와 같이, 내연기관(E)은, 연료탱크(33)의 하방에서, 또한 시트(34)의 전방으로 경사된 하방으로서, 평면에서 보아 양 메인프레임(31,32)의 사이에 배치된다. 즉, 각 메인프레임(31,32)의 앞부분에는, 거의 연직하방으로 연장되는 전브래킷(31a,32a)이 설치되고, 그 1쌍의 전브래킷(31a,32a)에, V뱅크의 외측에서 전뱅크(1a)에 일체로 형성된 지지부(T1)가 고정된다. 또, 각 전브래킷(31a,32a)의 상하방향에서의 중간부로부터 후방으로 거의 수평으로 연장되도록 연결부(31b,32b)가 설치되고, 이들의 연결부(31b,32b)에, V뱅크의 내측에서 전뱅크(1a)에 일체형성된 지지부(T2)가 고정된다. 또한, 각 메인프레임(31,32)의 후부에는, 거의 연직하방으로 연장되는 수하부(31c,32c)가 설치되고, 그 1쌍의 수하부(31c,32c)의 상부위치에, 상측 크랭크케이스(1c)의 후부에 일체로 형성된 지지부(T3)가 고정되고, 양 수하부(31c,32c)의 하부위치에, 하측 크랭크케이스(3)의 후부에 일체로 형성된 지지부(T4)가 고정된다. 또, 양 수하부(31c,32c)에 있어서,양 지지부(T3,T4)가 고정되는 부분의, 상하방향에서의 중간부에, 후륜(WR)을 지지하는 U자형상의 리어포크(35)의 전단부가 회전가능하게 지지된다.
도 3을 아울러서 참조하면, 전뱅크(1a)는, 크랭크축(5)의 회전축선(L)방향을 따라서 배열되어 일체로 결합된 3개의 기통(C1,C3,C5)을 가지고, 각 기통(C1,C3,C5)에 형성된 실린더보어(B1,B3,B5)의 중심축선(N1,N3,N5)은, 회전축선(L)으로부터 전방으로 경사진 상방을 지향하여, 각 기통(C1,C3,C5)이 앞쪽으로 기울어져 있다. 또, 후뱅크(1b)는, 회전축선(L)방향을 따라서 배열되어 일체로 결합된 2개의 기통(C2,C4)을 가지고, 각 기통(C2,C4)에 형성된 실린더보어(B2,B4)의 중심축선(N2,N4)은, 회전축선(L)으로부터 후방으로 경사해서 상방을 지향하여, 각 기통(C2,C4)이 뒤쪽으로 기울어져 있다. 각 기통(C1∼C5)의 실린더보어(B1∼B5)에는, 피스톤링이 장착된 피스톤(P1∼P5)이 미끄럼운동이 자유롭게 끼워맞춤하고, 각 피스톤(P1∼P5)과 대응하는 실린더 헤드(2a,2b)의 사이에 형성되는 연소실의 연소압력에 의해 왕복운동하는 피스톤(P1∼P5)이, 각 피스톤(P1∼P5)과 크랭크축(5)을 연결하는 커넥팅로드(R1∼R5)를 통하여, 크랭크축(5)을 회전구동한다.
구체적으로는, 크랭크축(5)은, 실린더블록(1) 및 하측 크랭크케이스(3)에, 각각 회전축선(L)방향으로 소정의 간격을 두고 형성된 4개의 축받이부(D1∼D4)에 의해, 그 저널(J1∼J4)에서 주축받이를 통하여 지지된다. 그리고, 크랭크축(5)에 있어서, 축받이부(D1)와 축받이부(D2)사이의 크랭크핀(K1)에는, 양 뱅크(1a,1b)에 각각 속하는 기통(C1,C2)에 각각 끼워맞춤하는 1쌍의 피스톤(P1,P2)의피스톤핀(S1,S2)에 각각에 연결된 커넥팅로드(R1,R2)가 함께 연결된다. 또, 축받이부(D2)와 축받이부(D3)의 사이에 있고 크랭크핀(K1)에 인접하는 크랭크핀(K2)에는, 전뱅크(1a)에 속하는 기통(C3)에 끼워맞춤하는 피스톤(P3)의 피스톤핀(S3)에 연결된 커넥팅로드(R3)만이 연결되고, 축받이부(D3)와 축받이부(D4)사이에 있고 크랭크핀(K2)에 인접하는 크랭크핀(K3)에는, 양 뱅크(1b,1a)에 각각 속하는 기통(C4,C5)에 각각 끼워맞춤하는 1쌍의 피스톤(P4,P5)의 피스톤핀(S4,S5)에 연결된 커넥팅로드(R4,R5)가 함께 연결된다. 따라서, 2개의 크랭크핀(K1,K3)은, 2조 1쌍의 커넥팅로드(R1,R2,R4,R5)가 연결되는 공용 크랭크핀을 구성하고, 크랭크축(5)의 양단의 저널(J1,J4)의 사이에서, 회전축선(L)방향에서의 중앙에 배치된 크랭크핀(K2)은, 피스톤(P3)에 연결된 1개의 커넥팅로드(R3)만이 연결되는 단독 크랭크핀을 구성한다.
또, 크랭크핀(K1)과 크랭크핀(K3)은 동일위상에 배치, 즉, 크랭크축(5)의 회전축선(L)방향에서 보았을 때 겹쳐지는 위치에 배치되고, 커넥팅로드(R1) 및 커넥팅로드(R5)와, 커넥팅로드(R2)및 커넥팅로드(R4)는, 기통(C3)의 실린더보어(B3)의 중심축선(N3)을 포함하고, 또한 회전축선(L)에 직교하는 가상평면(H)에 대해서 면대칭인 위치에 있어서, 크랭크핀(K1)및 크랭크핀(K3)에 각각 연결되고, 또한 가상평면(H)에 대해서, 전체 실린더보어(B1∼B5)가 면대칭으로 배치된다. 그 때문에, 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분은, 가상평면(H)에 관하여 면대칭으로 배치된다.
또한, 이 명세서에 있어서, 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분은, 피스톤(P1∼P5)과, 피스톤링이나 피스톤핀(S1∼S5) 등의 피스톤(P1∼P5)과 함께 왕복운동하는 피스톤(P1∼P5)의 부속부재와, 피스톤핀(S1∼S5)을 통하여 피스톤(P1∼P5)에 연결되는 커넥팅로드(R1∼R5) 중 왕복운동하는 부분을 합친 것을 의미한다.
또한, 회전축선(L)방향에 있어서, 크랭크핀(K1)의 양단에는, 2개의 크랭크웨브(G1,G2)가 설치되고, 마찬가지로, 크랭크핀(K2)의 양단에는, 2개의 크랭크웨브(G3,G4)가, 그리고 크랭크핀(K3)의 양단에는, 2개의 크랭크웨브(G5,G6)가 각각 설치된다. 그들 크랭크웨브(G1∼G6)에는, 각 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력을 감소시키는 밸런스력을 발생하는 밸런스 웨이트가, 가상평면(H)에 관하여 면대칭인 배치가 되도록 각각 설치된다. 그리고, 4개의 피스톤(P1,P2,P4,P5)에 관해서는, 회전축선(L)에 관하여 크랭크핀(K1,K3)의 180도 반대측에서, 크랭크핀(K1,K3)의 중심축선상, 즉 크랭크반경을 가지는 가상원상에 그 중심이 위치하도록 밸런스 웨이트가 설치된다. 또, 피스톤(P3)에 관해서는, 회전축선(L)에 관해서 크랭크핀(K2)의 180도 반대측에서, 크랭크핀(K2)의 중심축선상, 즉 크랭크반경을 가지는 가상원상(이 반경은, 크랭크핀(K1,K3)의 그것과 동일하다)에 그 중심이 위치하도록 밸런스 웨이트가 설치된다. 또한, 모두 동일한 질량을 가지도록 설정된 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분에 대해서, 밸런스 웨이트에 의해, 각 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분의 1차 관성력에 대한 밸런스율이 모두 50%로 설정된다.
그리고, 도 2를 참조하면, 회전축선(L)방향에서의 폭이 전뱅크(1a)의 그것보다도 작은 후뱅크(1b)는, 전뱅크(1a)보다도 시트(34)에 가까운 위치를 차지하고, 또 전체 실린더보어(B1∼B5)는 가상평면(H)에 관하여 면대칭으로 배치되어 있다.따라서, 전뱅크(1a) 및 후뱅크(1b)의 회전축선(L)방향에서의 양단부인 좌우단부는, 좌우방향에서의 차체중심(Y)에 관해서 거의 대칭인 위치를 차지하고, 또 전뱅크(1a)의 3개의 기통(C1,C3,C5) 및 후뱅크(1b)의 2개의 기통(C2,C4)은, 차체중심(Y)에 관해서 거의 대칭인 위치를 차지한다.
이 내연기관(E)은, 상술한 바와 같이, 내연기관(E)의 운전에 의해, 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분의 왕복운동에 기인하여 발생하는 1차 관성력에 균형을 이루는 밸런스력을 발생하는 밸런스 웨이트를 구비하고 있고, 이 밸런스력에 의해 1차 관성력의 불균형분인 불평형 1차 관성력을 0(영)으로 하여, 1차 진동의 발생을 방지하고 있다. 그래서, 이하, 이 1차 진동방지구조에 관하여 설명한다.
우선, 일반적으로, (2n+1)(여기서, n은 자연수)개의 홀수의 기통을 가지고, 뱅크각(θ)의 V형 내연기관에 관해서 설명하고, 그 후, 그 특별한 경우로서의 상술한 5기통의 V형 내연기관(E)에 관해서 설명한다.
(2n+1)개의 기통을 가지는 V형 내연기관에 있어서, (n+1)개의 기통이 크랭크축의 회전축선을 따르는 방향으로 배열되어 제 1뱅크를 형성하고, n개의 기통이 상기 회전축선을 따르는 방향으로 배열되어 제 2뱅크를 형성한다. 크랭크축은, 제 1, 제 2뱅크에 각각 속하는 2개의 기통에 각각 끼워맞춤하는 2개의 피스톤에 각각 연결된 커넥팅로드가 함께 연결되는 n개의 공용 크랭크핀과, 제 1뱅크의 나머지 기통에 끼워맞춤하는 1개의 피스톤에 연결된 커넥팅로드만이 연결되는 1개의 단독 크랭크핀을 가진다. 그리고, n개의 공용 크랭크핀은 동일위상에 배치, 즉 크랭크축의 회전축선방향으로 보았을 때 겹쳐지는 위치에 배치된다. 또, 단독 크랭크핀은, 상기 회전축선방향에서 크랭츠축의 어느 위치에 있어도 좋다.
최초로, 크랭크축의 회전축선방향으로 본 설명도인 도 4를 참조하여, 1개의 공용 크랭크핀(KC)에 연결되고, 또한 제 1, 제 2뱅크에 각각 속하는 2개의 기통(CL,CM)에 각각 끼워맞춤하는 2개의 피스톤(PL,PM)의 왕복운동에 의해 발생하는 1차 관성력에 관하여 설명한다. 크랭크축은, 도면 중의 A로 표시되는 화살표방향으로 회전하는 것으로 하고, 상기 회전축선을 원점으로 하여, 원점으로부터 연장되는 제 2뱅크의 기통(CM)의 실린더보어의 중심축선을 Y축으로 하고, Y축과 직교하는 X축은, Y축의 정방향으로부터 회전방향(A)과는 반대방향으로 90도 회전한 위치에서 원점으로부터 연장되는 반직선을 정방향으로 한다. 제 1뱅크에 속하는 기통(CL)의 실린더보어의 중심축선은, Y축으로부터 뱅크각(θ)만큼 회전방향에서 진행측에 위치한다. 또한,
M : 피스톤 등의 왕복운동부분의 질량
τ: Y축으로부터의 크랭크축의 회전각 또는 공용 크랭크핀(KC)의 회전각
r : 크랭크반경
ω: 크랭크축의 각속도
로 한다. 이 때, 제 1뱅크의 피스톤(PL)등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력(F1)은 식(1)로, 또 제 2뱅크의 피스톤(PM)등의 왕복운동부분에 발생하는 1차관성력(F2)은 식(2)로 표시된다.
여기서, 첨자 X,Y는, X축방향 성분 및 Y축방향 성분을 나타낸다.
따라서, 이 2개의 피스톤(PL,PM)등의 왕복운동부분을 합친 1차 관성력(F12)은, 각 1차 관성력(F1,F2)의 벡터합이 되고, 식(3)으로 표시된다.
따라서, (2n+1)개의 기통을 가지는 V형 내연기관의 n개의 공용 크랭크핀에 연결된 피스톤 등의 왕복운동부분의 전체의 1차 관성력(Fn)은, 식(4)로 표시된다.
다음에, 도 5를 참조하여, 단독 크랭크핀(KS)에 연결되고, 제 1뱅크의 나머지 기통(CN)에 끼워맞춤하는 피스톤(PN)등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력(FC)을 구한다. 제 1뱅크가, 제 2뱅크에 대해서 회전방향에서 진행측에 있는경우에 관하여 설명한다. 단독 크랭크핀(KS)의 위상이, 공용 크랭크핀(KC)으로부터 회전방향(A)으로 β도라고 하면, 그 1차 관성력(FC)은, 식(5)로 표시된다.
따라서, (2n+1)개의 기통을 가지는 V형 내연기관 전체의 1차 관성력(FT)은, 1차 관성력(Fn)과 1차 관성력(FC)의 벡터합이 되고, 식(6)으로 표시된다.
여기서 뱅크각(θ)을 식(7)을 만족시키도록 설정하고, 단독 크랭크핀(KS)의 위상을 식(8)을 만족시키도록 배치, 즉 공용 크랭크핀(KC)으로부터 (180-θ)도의 각도를 가지고 회전방향에서 지연측에 배치한다.
또한, 식(8)에서, sinθ가 양의 값이 되는 것은, 회전방향에서 뱅크각(θ)이 0도＜θ＜180도인 것에 의한다.
식(7),(8),(9)를 식(6)에 대입하여 정리하면 식(10)이 얻어진다.
여기서,
로 두면,
이므로, 식(13),(14)를 고려하여, 식(10)을 변형하면 다음 식이 얻어진다.
식(15)로부터, 이 V형 내연기관의 각 피스톤의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력의 합력인 1차 관성력(FT)은, 그 크기가 kMrω2이고, 크랭크축의 회전각(τ)에 대해서 α도 지연되어, 크랭크축과 동일한 각속도로 회전하는 벡터인 것을 알 수 있다. 그 때문에, 이 1차 관성력(FT)에 균형을 이루는 밸런스력을 발생하는 밸런스 웨이트가 크랭크축에 설치되면, 이 V형 내연기관 전체의 불평형 1차 관성력을 항상 0(영)으로 할 수가 있다. 따라서, 밸런스 웨이트(WB)는, 공용 크랭크핀(KC)이 Y축상에 있을 때의 상태를 나타내는 도 6에 도시된 바와 같이, 실선의 흰 화살표로 표시되는 1차 관성력(FT)에 대해서, (α+180)도의 위치에 설치되고, 그 질량은, 예를 들면 크랭크 반경상에 그 중심을 가지는 kM에 설정된다.
또, 제 1뱅크가, 제 2뱅크에 대해서 회전방향에서 지연측에 있는 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 식(5)에 대응하여, 나머지의 기통(CN)에 끼워맞춤하는 피스톤(PN)등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력(FC)은, 단독 크랭크핀(KS)의 위상을, 공용 크랭크핀(KC)으로부터 회전방향(A)으로 β도라고 하면, 다음 식으로 표시된다.
따라서, V형 내연기관 전체의 1차 관성력(FT)은, 1차 관성력(Fn)과 1차 관성력(FC)의 벡터합이 되고, 식(17)로 표시된다.
여기서, 뱅크각(θ)을 식(7)을 만족시키도록 설정하고, 다시 단독 크랭크핀(KS)의 위상을 식(18)을 만족시키도록 배치, 즉 공용 크랭크핀(KC)으로부터 (180-θ)도의 각도를 가지고 회전방향에서 진행측으로 배치한다.
식(7),(8),(18)을 식(17)에 대입하여 정리하면 다음식이 얻어진다.
또한, 식(13), (14)를 식(19)에 대입하면,
이 되어, 식(15)에 대응하는 식이 얻어진다.
이 식(20)으로부터, 나머지 기통이 속하는 제 1뱅크가, 제 2뱅크에 대해서 회전방향에서 지연측에 있는 경우에는, 1차 관성력(FT)은, 그 크기가 kMrω2이고, 크랭크축의 회전각(τ)에 대해서 α도 진행하여, 크랭크축과 동일한 각속도로 회전하는 벡터인 것을 알 수 있다. 그 때문에, 이 1차 관성력(FT)에 균형을 이루는 밸런스력을 발생하는 밸런스 웨이트(WB)를 크랭크축에 설치하면, 이 V형 내연기관 전체의 불평형 1차 관성력을 항상 0(영)으로 할 수가 있다. 따라서, 밸런스 웨이트는, 공용 크랭크핀(KC)이 Y축상에 있을 때의 상태를 나타내는 도 6에 도시된 바와 같이, 파선의 흰 화살표로 표시되는 1차 관성력(FT)에 대해서, (α+180)도의 위치에 설치되고, 그 질량은, 예를 들면 크랭크반경을 가지는 가상원상에 그 중심을 가지는 kM으로 설정된다.
다음에, 이러한 일반적인 1차 진동방지구조의 특별한 경우로서, n=2의 경우인 상술한 V형 5기통의 내연기관(E)의 1차 진동방지구조에 관하여 설명한다. (2n+1)기통의 V형 내연기관의 경우는, 식(15) 또는 식(20)을 만족시키는 한, 밸런스 웨이트의 위치는, 크랭크축의 어느 부분이라도 좋았는데, 이 내연기관(E)에서는, 각 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분에 대응하여, 모든 크랭크웨브(G1∼G6)에 설치된 밸런스 웨이트에 의해, 각 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분의 1차 관성력에 대한 밸런스율이 모두 50%로 설정되어 있다. 이것은, 각 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분에 대응하여, 크랭크반경을 가지는 가상원상에 M/2의 질량을 가지는 밸런스 웨이트가 설치되는 것과 등가이다.
그 때문에 이해하기쉽게 하기 위해 크랭크핀(K1,K3)이 Y축상에 위치할 때의 상태를 나타내는 도 8A 내지 도 8E에 있어서, 각 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분에 대응하여, 밸런스 웨이트에 의해, 도시한 바와 같은 밸런스력(FB1,FB2)이 발생하고, 내연기관(E) 전체에서의 밸런스력(FB)은, 각 밸런스력(FB1,FB2)의 벡터합이 된다. 그리고, 도 8F에 도시한 바와 같이, 이 밸런스력(FB)은, 식(15)에 있어서, n=2로 함으로써 얻어지는 1차 관성력(FT)과, 크기가 같고, 그 방향이 180도 다르기 때문에, 양자의 합력은 0(영)이 되고, 1차 관성력에 의한 진동의 발생이 방지된다.
또, 이것은, 크랭크핀(K1,K3)에 연결된 4개의 피스톤(P1,P2,P4,P5) 등의 왕복운동부분의 1차 관성력과 그 피스톤(P1,P2,P4,P5) 등의 왕복운동부분에 대응하는 밸런스 웨이트의 밸런스력의 합으로서 남는 불평형 1차 관성력이, 크랭크핀(K2)에 연결된 피스톤(P3) 등의 왕복운동부분의 1차 관성력과 그 피스톤(P3)등의 왕복운동부분에 대응하는 밸런스 웨이트의 밸런스력과의 합으로서 남는 불평형 1차 관성력에 의해 균형이 이루어져, 내연기관(E)전체의 불평형 1차 관성력이 0(영)이 되는 것도 나타내고 있다.
즉, 이해하기 쉽게 하기 위해 크랭크핀(K1,K3)이 Y축상에 위치할 때의 상태를 나타내는 도 9를 참조하면, 크랭크핀(K1,K3)에 각각 연결되어, 전뱅크(1a)에 속하는 기통(C1,C5)의 피스톤(P1,P5)등의 왕복운동부분의 1차 관성력은 서로 동일하고, 각각 식(1)에서 구해지고, 그들의 합력의 크기는, 2×(Mrω2cosθ)이고, 그 방향은 Y축의 정방향으로부터 θ도이다. 그리고, 그들 피스톤(P1,P5)등의 왕복운동부분에 대응하여 설치된 밸런스 웨이트에 의한 밸런스력은, 그 크기가 2×(Mrω2)/2이고, 그 방향은 Y축의 정방향으로부터 180도이다. 따라서, 양 피스톤(P1,P5)등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력(FU1)은, 1차 관성력과 밸런스력과의 벡터합이 되고, 그 크기는 2×(Mrω2)/2이고, 그 방향은 Y축의 정방향으로부터 2θ도이다.
한편, 크랭크핀(K1,K3)에 연결되고, 후뱅크(1b)에 속하는 기통(C2,C4)의 피스톤(P2,P4) 등의 왕복운동부분의 1차 관성력은 서로 동일하고, 각각 식 (2)에서 구해지고, 그들의 합력의 크기는, 2×Mrω2이고, 그 방향은 Y축의 정방향이다. 그리고, 그들 피스톤(P2,P4) 등의 왕복운동부분에 대응하여 설치된 밸런스 웨이트에 의한 밸런스력은, 그 크기가 2×Mrω2/2이고, 그 방향이 Y축의 정방향으로부터 180도이다. 따라서 양 피스톤(P2,P4)등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력(FU2)은, 1차 관성력과 밸런스력의 벡터합이 되고, 그 크기는 2×(Mrω2)/2이고, 그 방향은 Y축의 정방향이다.
따라서, 양 불평형 1차 관성력(FU1,FU2)의 벡터합인 2개의 크랭크핀(K1,K3)에 연결된 피스톤(P1,P2,P4,P5)등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력(FU12)은, 그 크기가 2×Mrω2cosθ이고, 그 방향이 Y축의 정방향으로부터 θ도이다. 그리고, 식(7)에서, 불평형 1차 관성력(FU12)의 크기는 Mrω2/2이다.
그리고, 크랭크핀(K2)에 연결되고, 전뱅크(1a)에 속하는 기통(C3)의피스톤(P3)등의 왕복운동부분의 1차 관성력은, 식(5)에서 구해지고, 그 크기는, Mrω2이고, 그 방향이 Y축의 정방향으로부터 -(180-θ)도이다. 그리고, 피스톤(P3) 등의 왕복운동부분에 대응하여 설치된 밸런스 웨이트에 의한 밸런스력은, 그 크기가 Mrω2/2이고, 그 방향이 Y축으로부터 θ도이다. 따라서, 피스톤(P3)등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력(FU3)은, 1차 관성력과 밸런스력의 벡터합이 되고, 그 크기는 Mrω2/2이고, 그 방향은 Y축의 정방향으로부터 -(180-θ)도이다.
이상에서, 크랭크핀(K1,K3)에 연결된 4개의 피스톤(P1,P2,P4,P5)등의 왕복운동부분의 1차 불평형 관성력(FU12)이, 크랭크핀(K2)에 연결된 피스톤(P3)등의 왕복운동부분의 1차 불평형 관성력(FU3)에 의해 균형이 이루어져, 내연기관(E)전체의 불평형 1차 관성력이 0(영)이 되는 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 것을, (2n+1)기통을 가지고, 밸런스 웨이트가, 각 피스톤 등의 왕복운동부분마다 50%의 밸런스율이 되도록 설정되는 V형 내연기관에 관해서도 말할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같이 구성된 실시예의 작용 및 효과에 관하여 설명한다.
3개의 기통(C1,C3,C5)으로 형성되는 전뱅크(1a)와 2개의 기통(C2,C4)으로 형성되는 후뱅크(1b)가 뱅크각(θ)을 이루는 내연기관(E)이 운전되었을 때, 크랭크축(5)에, kMrω2의 크기로, 또한 (α+180)도(여기서, k=(15/4)1/2이고, α=-sin-1(1/4)이다)의 방향의 밸런스력이 발생하는 밸런스 웨이트가 설치된(도 8의 (F)참조) 것에 의해, 전체 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력이, 크랭크축(5)에 설치된 밸런스 웨이트에 발생하는 밸런스력에 의해 균형이 잡히기 때문에, 1차 관성력에 기인하는 1차 진동의 발생이 방지된다. 그 결과, 1차 진동이 크랭크축(5)에 설치된 밸런스 웨이트에 의해 방지되므로, 종래기술과 같이 아암을 가지는 밸런싱 기구나, 전동기구나 밸런싱 축을 가지는 밸런싱 기구를 설치할 필요가 없고, 내연기관(E)의 중량증가가 억제됨과 동시에, 내연기관(E)이 소형화된다. 또, 부품점수가 삭감되므로 생산성이 향상하고, 또한 미끄럼운동부의 감소에 의해 마찰손실이 감소하여, 유효한 기관출력을 증대시킬 수가 있다.
밸런스 웨이트가, 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분마다 50%의 밸런스율이 되도록 설정되고, 또한 회전축선(L)에 관해서 각 크랭크핀의 180도 반대측에 설치되므로, 크랭크핀(K1,K3)에 각각 연결된 모든 피스톤(P1,P2,P4,P5)등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력(FU12)이, 크랭크핀(K2)에 연결된 피스톤(P3)등의 왕복운동부분의 불평형 1차 관성력(FU3)과 균형을 이룸으로써 1차 진동의 발생이 방진된다. 따라서, 크랭크핀(K1,K3)에 각각 연결되어 1쌍이 된 피스톤(P1,P2,P4,P5)등의 왕복운동부분이외의, 크랭크핀(K2)에 연결된 피스톤(P3) 등의 왕복운동부분을 이용하여, 밸런스 웨이트의 설치가 용이한 형태로 1차 진동의 발생을 방지할 수 있다. 게다가, 밸런스 웨이트는, 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분마다 50%의 밸런스율이 되도록 설정되기 때문에, 크랭크축(5)의 회전방향에서의 1차 관성력이 균등화된다.이것에 의해, 크랭크축(5) 및 크랭크축(5)을 지지하는 축받이부(D1∼D4)의 설계가 용이해짐과 동시에, 강성을 높이기위한 중량증가가 회피되어, 내연기관(E)을 경량화할 수 있다. 게다가, 크랭크축(5)이 조립식 크랭크축으로 구성되는 경우에는, 크랭크웨브(G1∼G6)를 포함하는 부품의 공용화가 가능해져, 비용을 삭감할 수 있다.
크랭크핀(K2)은, 크랭크축(5)의, 회전축선(L)방향에서의 중앙에 배치되고, 가상평면(H)에 대해서, 5개의 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분 및 모든 상기 밸런스 웨이트가 면대칭으로 배치되어 있기 때문에, 크랭크축(5)에 발생하는 1차 관성력은 밸런스 웨이트에 발생하는 밸런스력과 균형을 이루는 데다가, 각 피스톤(P1∼P5)등의 왕복운동부분에 발생하는 1차 관성력 및 밸런스 웨이트에 발생하는 밸런스력은 가상평면(H)에 관해서 면대칭이 되어, 1차 관성력 및 밸런스력에 의해 우력이 형성되는 일이 없다. 그 결과, 크랭크핀(K1∼K3), 피스톤(P1∼P5) 등의 왕복운동부분 및 밸런스 웨이트의 면대칭인 배치와 같은 간단한 구조에 의해, 1차 관성력 및 밸런스력에 기인하는 커플링진동의 발생이 방지된다.
내연기관(E)이 자동 2륜차(V)에 탑재된 상태에서, 회전축선(L)방향의 폭이 전뱅크(1a)의 그것보다도 작은 후뱅크(1b)가, 시트(34)에 가까운 위치를 차지하기 때문에, 운전자가 양 무릎을 좁혀서, 양 다리의 내측으로 연료탱크(33)를 끼움으로써, 승차자세를 보다 안정화시키는 니그립성(knee-grip)이 양호해진다. 또, 전뱅크(1a)만이아니라 후뱅크(1b)의 2개의 기통(C2,C4)도, 좌우방향에서의 차체중심(Y)에 대해서 거의 대칭으로 위치하기 때문에, 차체에 대한 내연기관(E)의 좌우에서의중량의 밸런스를 취할 수 있는데다가, 내연기관(E)의 중심이 좌우방향에서 차체 중심(Y)에 근접하므로, 조종성 및 주행안정성이 향상한다. 또 가상평면(H)에 관해서, 전체 실린더보어(B1∼B5)가 면대칭으로 배치되기 때문에, 회전축선(L)방향에서의 전뱅크(1a) 및 후뱅크(1b)의 좌우단부는, 차체 중심(Y)에 대해서 거의 대칭인 위치를 차지한다. 따라서, 내연기관(E)의, 차체 프레임에 대한 탑재성이 향상한다.
5기통 V형 내연기관(E)에 있어서, 크랭크핀(K2)에 연결되는 피스톤(P3)이 후뱅크(1b)에 속하는 경우, 또한, 상술한 바와 같이, 5기통 V형 내연기관(E)에 한정되는 일없이, 일반적으로 (2n+1)기통의 V형 내연기관에 있어서도, 1차 진동의 발생이 방지된다.
이하, 상술한 실시예의 일부의 구성을 변경한 실시예에 관하여, 변경한 구성에 관하여 설명한다.
n=2의 경우인 상술한 5기통 V형 내연기관(E)이외에도, n이 2이외의 짝수로서, 전체 기통의 피스톤 등의 왕복운동부분 및 모든 밸런스 웨이트가, 크랭크축의 양단의 저널의 사이에서, 회전축선(L)방향에서의 중앙에 배치된 단독 크랭크핀에 연결되는 피스톤이 끼워맞춤하는 기통의 실린더보어의 중심축선을 포함하고, 또한 회전축선(L)에 직교하는 가상평면에 관하여 면대칭으로 배치되는 것이면, 커플링진동의 발생이 방지된다.
또, 내연기관은 차량 이외에 사용되는 것이라도 좋다.

Claims (3)

  1. V자형상을 이루는 2개의 뱅크를 형성하는 (2n+1)(여기서, n은 자연수)개의 기통과, 상기 각 기통의 실린더보어에 끼어맞춤하는 피스톤과, 이들의 피스톤에 각각 연결된 커넥팅로드와, 크랭크축을 구비하고, 상기 크랭크축은, 상기 2개의 뱅크에 각각 속하는 피스톤의 쌍의 각각에 연결된 커넥팅로드가 함께 연결된 n개의 공용 크랭크핀과, 1개의 나머지 피스톤에 연결된 커넥팅로드만이 연결된 1개의 단독크랭크핀을 가지고 있는 홀수기통의 V형 내연기관에 있어서,
    상기 n개의 공용 크랭크핀은, 동일위상에 배치되고,
    상기 양 뱅크가 이루는 뱅크 각(θ)은 다음 식을 만족시키도록 설정되고,
    θ = COS-1(1/(2n))
    상기 단독 크랭크핀은, 상기 나머지 피스톤이 상기 크랭크축의 회전방향에서 진행측에 있는 상기 뱅크에 속하는 경우는, 상기 공용 크랭크핀으로부터 (180-θ)도의 각도를 가지고 상기 회전방향에서 지연측에 배치되고, 상기 나머지 피스톤이 상기 회전방향에서 지연측에 있는 상기 뱅크에 속하는 경우는, 상기 공용 크랭크핀으로부터 (180-θ)도의 각도를 가지고 상기 회전방향에서 진행측에 배치되고,
    상기 모든 기통에 있어서 상기 피스톤 등의 왕복운동부분의 질량은 동일하게설정되고,
    α: 상기 공용 크랭크핀으로부터의 상기 회전방향으로의 각도
    M : 상기 각 왕복운동부분의 질량
    r : 크랭크반경
    ω : 상기 크랭크축의 각속도
    로 했을 때,
    상기 크랭크축에는, kMrω2의 크기이고, 또한 (α+180)도 방향의 밸런스력이 발생하는 밸런스 웨이트수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 홀수기통의 V형 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸런스 웨이트수단은, 복수개의 밸런스 웨이트로 이루어지고, 상기 피스톤 등의 왕복운동부분마다 50%의 밸런스율이 되도록 설정되고, 또한 밸런스 웨이트는, 상기 크랭크축의 회전축선에 대해서 상기 각 크랭크핀의 180도 반대측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 홀수기통의 V형 내연기관.
  3. 제 1 항에 있어서, n은 짝수이고, 상기 밸런스 웨이트수단은 복수개의 밸런스 웨이트로 이루어지고, 상기 단독 크랭크핀은, 상기 크랭크축에 그 회전축선방향에서의 중앙에 배치되고, 상기 나머지 피스톤이 끼워맞춤하는 실린더보어의 중심축선을 포함하고 또한 상기 회전축선에 직교하는 가상평면에 관해서, 상기 모든 피스톤 등의 왕복운동부분 및 상기 모든 밸런스 웨이트가 면대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 홀수기통의 V형 내연기관.
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